Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng và mô hình hóa hình học độc đáo của borophene 2D, một vật liệu có thể vượt qua những lời hứa của graphene cho các ứng dụng điện tử, nhiệt, quang học và các ứng dụng khác.
Graphene có thể đến từ than chì. Nhưng còn borophene thì sao? Không có thứ gọi là borite.
Không giống như người anh em carbon của nó, borophene hai chiều không thể được giảm từ dạng tự nhiên lớn hơn. Boron số lượng lớn thường chỉ được tìm thấy khi kết hợp với các yếu tố khác, và chắc chắn không được xếp lớp, vì vậy borophene phải được tạo ra từ các nguyên tử trở lên. Thậm chí sau đó, borophene bạn nhận được có thể không phải là thứ bạn cần.
Vì lý do đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice và Tây Bắc đã phát triển một phương pháp để xem các tinh thể borophene 2D, có thể có nhiều cấu hình mạng – được gọi là đa hình – từ đó xác định các đặc điểm của chúng.
Biết cách đạt được các dạng đa hình cụ thể có thể giúp các nhà sản xuất kết hợp borophene với các đặc tính vật lý điện tử, nhiệt, quang học và vật lý khác vào các sản phẩm.
Boris Yakobson, một nhà vật lý vật liệu tại Trường Kỹ thuật Rice’s Brown, và nhà khoa học vật liệu Mark Hersam ở Tây Bắc đã lãnh đạo một nhóm không chỉ khám phá cách nhìn thấy các cấu trúc nano của mạng borophene mà còn xây dựng các mô hình lý thuyết giúp mô tả các dạng tinh thể.
Kết quả của họ được công bố trên tạp chí Nature Communications .
Borophene vẫn khó sản xuất với số lượng nhỏ. Nếu và khi nó có thể được thu nhỏ lại, các nhà sản xuất có thể sẽ muốn tinh chỉnh nó cho các ứng dụng. Những gì các đội Rice và Tây Bắc đã học sẽ giúp về vấn đề đó.
Graphene có một dạng duy nhất – một mảng các hình lục giác, giống như chicken wire (dây điện ruột gà) – nhưng borophene hoàn hảo là một lưới các hình tam giác. Tuy nhiên, borophene là một dạng đa hình, một vật liệu có thể có nhiều hơn một cấu trúc tinh thể. Các chỗ trống để lại các mẫu “hình lục giác rỗng” trong mạng tinh thể borophene xác định tính chất vật lý và điện của nó.
Yakobson cho biết về mặt lý thuyết có thể có hơn 1.000 dạng borophene, mỗi dạng có những đặc điểm riêng.
“Nó có nhiều kiểu và mạng lưới nguyên tử có thể được kết nối trong mạng tinh thể”, ông nói.
Dự án bắt đầu tại phòng thí nghiệm Tây Bắc của Hersam, nơi các nhà nghiên cứu đã sửa đổi đầu cùn của kính hiển vi lực nguyên tử bằng đầu nhọn của các nguyên tử carbon và oxy. Điều đó đã cho họ khả năng quét một vảy borophene để cảm nhận các electron tương ứng với liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử boron. Họ đã sử dụng một kính hiển vi quét đường hầm quét được sửa đổi tương tự để tìm các hình lục giác rỗng nơi một nguyên tử boron bị mất.
Các vảy quét phát triển trên đế bạc dưới các nhiệt độ khác nhau thông qua epit wax chùm phân tử cho chúng thấy một loạt các cấu trúc tinh thể, vì các điều kiện tăng trưởng thay đổi đã làm thay đổi mạng tinh thể.
“Kính hiển vi hiện đại rất tinh vi, nhưng kết quả là, thật không may, hình ảnh bạn nhận được nói chung là khó diễn giải”, Yakobson nói. “Đó là, thật khó để nói một hình ảnh tương ứng với một mạng nguyên tử cụ thể. Nó không rõ ràng lắm, nhưng đó là nơi lý thuyết và mô phỏng xuất hiện.”
Nhóm của Yakobson đã sử dụng các mô phỏng nguyên tắc đầu tiên để xác định lý do tại sao borophene lại sử dụng các cấu trúc cụ thể dựa trên việc tính toán năng lượng tương tác của cả hai nguyên tử boron và cơ chất. Mô hình của họ phù hợp với nhiều hình ảnh borophene được sản xuất tại Tây Bắc.
“Chúng tôi đã học được từ các mô phỏng rằng mức độ chuyển điện tích từ chất nền kim loại thành borophene là quan trọng”, ông nói. “Bao nhiêu điều này đang xảy ra, từ không có gì đến rất nhiều, có thể tạo ra sự khác biệt.”
Các nhà nghiên cứu đã xác nhận thông qua phân tích của họ rằng borophene cũng không phải là một màng epiticular. Nói cách khác, sự sắp xếp nguyên tử của chất nền không quyết định sự sắp xếp hoặc góc quay của borophene.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một sơ đồ pha cho biết borophene có khả năng hình thành như thế nào dưới nhiệt độ nhất định và trên nhiều loại chất nền khác nhau và lưu ý rằng những tiến bộ kính hiển vi của chúng sẽ có giá trị trong việc tìm kiếm cấu trúc nguyên tử của vật liệu 2D mới nổi.
Nhìn về tương lai, Hersam nói, “Việc phát triển các phương pháp để mô tả và kiểm soát cấu trúc nguyên tử của borophene là một bước quan trọng để hiện thực hóa nhiều ứng dụng được đề xuất của vật liệu này, từ điện tử linh hoạt đến các chủ đề mới nổi trong khoa học thông tin lượng tử.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rice . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :